一种改进的MPS粒子作用模型

从分析角度出发,为移动粒子半隐式法(MPS)提供了一组新的粒子作用模型,该模型在粒子局部坐标系下进行泰勒展开,同步获取各算子的粒子近似式,确保了离散精度的一致性.方法对于随机分布的粒子和边界附近的粒子同样适用.文中利用三个算例对该方法进行了检验,计算结果与分析解符合较好.最后,运用该方法成功模拟了自由面流动的二维溃坝问题.     

基于大涡模拟的移动粒子半隐式法研究

将大涡模拟(LES)和无网格的移动粒子半隐式法(MPS)相结合, 以求解湍流中的自由表面问题. 对N-S方程进行滤波计算可得到大涡模拟的控制方程, 大涡模拟的控制方程相对于以往的移动粒子半隐式法而言仅多出雷诺应力项, 通过亚粒子应力(sub-particle-scale,SPS)模型并引入Smagorinsky涡黏模型将雷诺应力模型化, 可实现移动粒子半隐式法的大涡模拟. 将MPS-LES应用至具有大变形自由表面的共振晃荡中, 其模拟结果同实验及其他数值模拟结果都相当接近.      

粒子法中自由表面粒子识别

针对移动粒子半隐式法MPS（Moving Particle Semi-implicit Method）基于粒子数密度来判断自由表面会出现将内部粒子误判为自由表面粒子的问题,提出了一种结合几何法和体积法的自由表面粒子判定方法。通过对溃坝问题进行数值模拟,结果表明,全新的自由表面粒子判定方法对流体平稳运动以及剧烈运动两种工况,都能准确地判断出自由表面粒子,解决了基于粒子数密度判断方法因粒子分布稀疏产生误判的问题。[JP2]这种全新的自由表面粒子判定方法对今后采用MPS方法计算两相流问题时,两种介质在界面处的传热传质计算有重要意义。     

粒子法中自由表面粒子识别

针对移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-implicit Method)基于粒子数密度来判断自由表面会出现将内部粒子误判为自由表面粒子的问题,提出了一种结合几何法和体积法的自由表面粒子判定方法。通过对溃坝问题进行数值模拟,结果表明,全新的自由表面粒子判定方法对流体平稳运动以及剧烈运动两种工况,都能准确地判断出自由表面粒子,解决了基于粒子数密度判断方法因粒子分布稀疏产生误判的问题。这种全新的自由表面粒子判定方法对今后采用MPS方法计算两相流问题时,两种介质在界面处的传热传质计算有重要意义。     

基于移动粒子半隐式法的表面张力模拟

采用移动粒子半隐式法(MPS)模拟了受表面张力影响的自由面流动。表面张力的计算采取了一种较适合于MPS方法的表面自由能模型。方形液滴振荡和射流断裂的模拟结果分别与理论分析和试验结果一致,同时进行了三维射流注水模拟,从而验证了MPS方法结合该表面张力模型可以有效、方便地进行自由面流动中表面张力现象的模拟。     

求解无粘可压Euler方程组的虚拟流方法

首先将三阶Godunov型半离散中心迎风格式推广到四阶,之后再将该新的四阶半离散中心迎风格式与Level Set方法以及虚拟流方法结合起来,成功地处理了非反应激波问题和多介质流中的爆轰间断问题。由于Level Set函数能隐式地追踪到界面的位置,而虚拟流的构造能隐式地捕捉到界面的边界条件,故而本文的方法可以很自然地推广到多维情况。     

含灰气体激波管侧壁层流边界层流动特征

水文采用数值方法求解含灰气体激波管中侧壁层流边界层,揭示了这类流动中呈现的三个特征不同的区域.为了研究两相边界层的发展,本文构造了一个包括六点和四点格式的隐式有限差分程序,引进了适当描述气固两相间相互作用的非斯托克斯关系,并分别给出了气体和粒子的速度与温度剖面。此外,文中还讨论了激波管压力比、粒子载荷比和粒子尺寸对侧壁边界层流动特性的影响。     

基于四阶半离散中心迎风格式的虚拟流方法的应用

给出了求解多维无粘可压Euler方程组的四阶半离散中心迎风格式,该格式根据非线性波在网格单元边界上传播的局部速度来更准确地估计局部Riemann的宽度,避免了计算网格的交错,降低了格式的数值粘性。同时,考虑到Level Set函数能隐式地追踪到界面的位置,而虚拟流的构造能隐式地捕捉到界面的边界条件,因此再将新的四阶半离散中心迎风格式与Level Set方法以及虚拟流方法相结合,成功地处理了非反应激波和多介质流中爆轰间断的追踪问题。     

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method, MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法, MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS 方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题. 本研究针对MPS 方法中存在的压力振荡现象, 首先将实际的物理问题简化为一维模型, 并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS 方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时, 加入了粒子碰撞模型, 通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟, 结果表明随着碰撞系数的增加, 粒子数密度偏差的波动幅度都会减小, 从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响, 结果表明: 采用高斯核函数时, 压力振荡的幅度更小, 这是因为采用高斯核函数时, 相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性, 这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动, 从而产生压力振荡, 因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.      

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method,MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法,MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题.本研究针对MPS方法中存在的压力振荡现象,首先将实际的物理问题简化为一维模型,并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时,加入了粒子碰撞模型,通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟,结果表明随着碰撞系数的增加,粒子数密度偏差的波动幅度都会减小,从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响,结果表明:采用高斯核函数时,压力振荡的幅度更小,这是因为采用高斯核函数时,相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性,这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动,从而产生压力振荡,因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.     

基于AFT-Delaunay的二维解耦并行网格生成算法

面向平面任意几何区域网格生成,提出了一种将波前法AFT(Advancing Front Technique)与Delaunay法相结合的解耦并行网格生成算法。算法主要思想是沿着求解几何区域惯性轴,采用扩展的AFT-Delaunay算法生成高质量三角形网格墙,递归地将几何区域动态划分成多个彼此解耦的子区域;采用OpenMP多线程并行技术,将子区域分配给多个CPU并行生成子区域网格;子区域内部的网格生成复用AFT-Delaunay算法,保证了生成网格的质量、效率和一致性要求。本算法优先生成几何边界与交界面网格,有利于提高有限元计算精度;各个子区域的网格生成彼此完全解耦,因此并行网格生成过程无需通信。该方法克服了并行交界面网格质量恶化难题,且具有良好的并行加速比,能够全自动、高效率地并行生成高质量的三角网格。     

三维有限元六面体网格几何自适应再生成方法

基于几何自适应的六面体网再生成方法,提出了一种以栅格法为基本方法,对有限元网格再划分过程中的网格再划分标准、几何形状的获取以及新旧网格之间物理量的传递等关键问题进行了研究.重点介绍了基于几何自适应的六面体网格再生成算法,首先对旧网格实体模型进行识别,根据实体模型几何特征建立加密源点信息场;然后采用栅格法生成核心网格并对...     

基于二重网格的动网格松弛法改进

相比传统的弹簧法等方法,基于球松弛算法的动网格松弛法在复杂边界大变形条件下可以得到质量更高的边界网格以及更大的极限变形量,但该方法在时间效率上还有提升的空间.引入二重网格,采用动网格松弛法进行稀疏网格的网格变形,将边界位移传递到整个网格计算域;再利用二重网格映射,将稀疏网格位移映射到原有计算网格的节点上.算例表明,改进...     

非结构网格变形方法研究进展

动网格技术中的非结构网格变形是计算流体力学和计算固体力学的关键技术之一.本文在总结现有非结构网格变形方法的基础上, 提出了一种网格变形方法的详细分类, 将现有方法归类为虚拟结构法、偏微分方程法和代数法. 本文综述了各类方法的最新研究进展, 分析并比较了各类方法的特性, 评述了当前网格变形研究的几个主要方向:复杂结构外形在不规则变形下的动网格生成、三维动网格生成、并行动网格生成和动节点技术. 最后简要地探讨了该领域的发展趋势.      

基于双重自适应的六面体网格再生成方法

提出了一种以栅格法为基本方法,基于几何特征和物理场量双重自适应的六面体网格再生成方法。首先,依据旧网格的表面曲率和几何特征,采用基于栅格法的几何自适应网格再生成方法,生成密度受控的基础网格;然后,将旧网格的物理场量传递到基础网格中;最后,采用有限元误差估计方法对新网格单元的计算误差进行估计,对误差较大的单元进行加密,减...     

基于网格框架的非结构附面层网格生成技术

附面层网格质量是确保计算流体力学粘性计算精度的关键技术环节.本文针对复杂外形提出了全局一致的高质量附面层网格构造算法,该方法基于针对特征的表面网格区域分解技术,利用表面网格分片后的边界线及其法向量构造最终附面层网格的轮廓框架线,并通过径向基函数及线性插值算法生成完整的附面层网格.通过典型算例分析可以看出,该方法生成的非结构附面层网格精度和全局一致性较高,且能够有效避免复杂外形附面层网格局部及全局交叉现象.     

基于人工神经网络的非结构网格尺度控制方法

网格自动化生成和自适应是制约计算流体力学发展的瓶颈问题之一, 网格生成质量、效率、灵活性、自动化程度和鲁棒性是非结构网格生成的关键问题. 在非结构网格生成中, 网格空间尺度分布控制至关重要, 直接影响网格生成质量、效率和求解精度. 采用传统的背景网格法进行空间尺度分布控制需要在背景网格上求解微分方程得到背景网格上的尺度分布, 再将网格尺度从背景网格插值到真实空间点, 过程十分繁琐且耗时. 本文从效率和自动化角度提出两种网格尺度控制方法, 首先发展了基于径向基函数(RBF)插值的网格尺度控制方法, 通过贪婪算法实现边界参考点序列的精简, 提高了RBF插值的效率. 同时, 还采用人工神经网络进行网格尺度控制, 初步引入相对壁面距离和相对网格尺度作为神经网络输入输出参数, 建立人工神经网络训练模型, 采用商业软件生成二维圆柱和二维翼型非结构三角形网格作为训练样本, 通过训练和学习建立起相对壁面距离和相对网格尺度的神经网络关系. 进一步实现了二维圆柱、不同的二维翼型的尺度预测, RBF方法和神经网络方法的效率与传统背景网格法相比提高了5~10倍, 有助于提高网格生成的效率. 最后, 将方法推广应用于各向异性混合网格尺度预测, 得到的网格质量满足要求.      

三维各向异性叉树网格流场自适应算法研究

建立了三维叉树形网格的数据结构,并将结构网格的有限体积法引入到叉树网格中,建立了相应的NS方程求解方法。在此基础上完善了包括各向异性自适应判别、合并/分裂、网格优化等步骤的算法,并提出了对流场结构进行“保护”性加密的优化加密方式。基于自适应叉树网格对高超声速横向喷流流场进行了数值模拟,捕捉到细致的流场结构,并将壁面压力系数计算值与文献试验值比较,得到了很好的模拟效果,具有较高的流场分辨精度。     

The use of dynamic grid adaptation algorithms for the modelling of flow around a circular cylinder in sub‐critical flow regime

In the present study a dynamic grid adaptation (DGA) algorithm is utilized for predicting flow around a circular cylinder in sub‐critical flow regime at a Reynolds number of 1.4×10⁵. The reason for adopting a DGA algorithm is the unsteadiness of the flow field which makes a conventional mesh inefficient. The concept being adopted is to concentrate mesh refinement in regions with high gradients and high turbulent viscosity, while in the region further downstream where the flow is fully developed a coarser mesh will develop and turbulence is modelled with the large eddy simulation (LES) turbulence model. The aim of the study is to present an appropriate variable for mesh refinement, which accomplishes a high rate of mesh refinement in the region with high gradients. The new variable is a product of the local mesh cell size and the rate of strain and includes two additional variables to allow control over the refinement behaviour. The results are compared with experimental data at the corresponding Reynolds number and also with numerical results obtained with conventional mesh. It is demonstrated that DGA algorithms can give results of a very high quality for a mesh that is significantly smaller than for a conventional mesh. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Improved ALE mesh velocities for complex flows

A key choice in the development of arbitrary Lagrangian‐Eulerian solution algorithms is how to move the computational mesh. The most common approaches are smoothing and relaxation techniques, or to compute a mesh velocity field that produces smooth mesh displacements. We present a method in which the mesh velocity is specified by the irrotational component of the fluid velocity as computed from a Helmholtz decomposition, and excess compression of mesh cells is treated through a noniterative, local spring‐force model. This approach allows distinct and separate control over rotational and translational modes. The utility of the new mesh motion algorithm is demonstrated on a number of 3D test problems, including problems that involve both shocks and significant amounts of vorticity.